脂质氢同位素组成：嗜热嗜酸古菌 Sulfolobus acidocaldarius 生长水的忠实记录者 —— 为古水文气候重建带来新曙光

首页今日动态人才市场新技术专栏中国科学人云展台
BioHot
云讲堂直播会展中心特价专栏技术快讯免费试用

生物通官微
陪你抓住生命科技
跳动的脉搏

生物通首页 > 今日动态 > 正文

《Applied and Environmental Microbiology》：Lipid hydrogen isotope compositions primarily reflect growth water in the model archaeon Sulfolobus acidocaldarius

【字体：大中小】 时间：2025年03月26日 来源：Applied and Environmental Microbiology 3.9

编辑推荐：

　　本文研究了嗜热嗜酸古菌 Sulfolobus acidocaldarius（S. acidocaldarius）中双植烷的氢同位素组成。通过系列实验，发现其脂质 / 水氢同位素分馏（2ε_L/W）值相对稳定，这表明古菌脂质或可作为生长水 δ2H 组成的可靠记录者，对重建古水文气候意义重大。

娑撹桨绨℃穱鍐箻缁夋垵顒熼惃鍕炊閹绢叏绱濋悽鐔哄⒖闁岸鍣伴梿鍡曠啊鏉╂瑧鐦掗弬鍥╃彿閿涘苯顩ч棁鈧懟杈ㄦ瀮閸樼喐鏋冮敍宀冾嚞閻愮懓鍤敍锟�鐠併垽妲凚ioHot缁便垹褰囬崢鐔告瀮

　　### 研究背景
氢同位素（²H/¹H）在水中的相对丰度受多种因素影响，某些生物分子会以特定偏移（分馏）的形式结合这些同位素，从而保留生长过程中水体同位素组成（δ²H 值）的记录。脂质的氢同位素组成可用于研究水文和环境变化，然而目前对古菌脂质氢同位素组成的理解相对不足。不同生物域的脂质 / 水氢同位素分馏（2ε_L/W）值存在差异，例如光养真核生物中蜡的 2ε_L/W值为 -150‰ 至 -50‰，细菌脂肪酸的 2ε_L/W值在 -400‰ 至 +300‰ 之间变化，而古菌脂质的 2ε_L/W值虽研究较少，但多为 -300‰ 至 -150‰ 且与真核光养生物的类异戊二烯脂质相似。不过，我们对控制古菌脂质氢同位素组成的因素了解有限，因此研究环境条件对古菌脂质 / 水氢同位素分馏的影响至关重要。

材料与方法

培养菌株与生长条件：选用 Sulfolobus acidocaldarius（DSM 639）进行需氧培养，培养基遵循 Brock 配方，以蔗糖为有机底物，部分电子供体通量实验还添加 NZ - amine。通过控制温度、pH、振荡速率、氧气含量和电子供体通量等环境条件，监测菌株生长，计算生长速率和倍增时间。
实验条件设置：通过批次实验、补料分批生物反应器实验和恒化器实验，系统研究温度、pH、振荡速率、氧气可用性和电子供体（蔗糖）通量对 S. acidocaldarius 氢同位素分馏的影响。批次实验中每次改变一个环境条件，其他条件保持不变；补料分批生物反应器实验通过调节氧气分压来控制氧气可用性；恒化器实验则设定不同的稀释率以获得不同的细胞倍增时间。
脂质提取与衍生化：从冻干的细胞沉淀中提取核心脂质部分（iGDGTs），通过酸性水解 - 甲醇解和化学衍生化将 iGDGTs 转化为双植烷，以便测定其 δ²H 值。
脂质分析与数据处理：利用气相色谱 - 质谱联用仪和气相色谱 - 火焰离子化检测器分析双植烷的化合物身份和定量。计算双植烷环指数（BP - Ring Index）来描述双植烷分布中平均环戊基环的数量。通过多种仪器测定培养基水、底物和双植烷脂质的 δ²H 值，并进行数据校准和误差计算。

实验结果

环境条件对生长和脂质的影响：不同环境条件显著影响 S. acidocaldarius 的生长速率、脂质 iGDGT 谱以及双植烷脂质的相对丰度和环指数（RI - BP）。例如，温度升高、pH 变化、振荡速率改变、氧气可用性和电子供体通量变化都会导致生长参数和脂质特征发生改变。
环境条件对 2ε_L/W值的影响：尽管环境条件对生长速率和脂质环化有显著影响，但对 2ε_L/W值的影响较小。2ε_L/W值在不同实验中的变化范围有限，仅在电子供体通量实验中观察到与环境条件的微弱线性关系。此外，2ε_L/W值与生长速率之间没有明显的相关性。
双植烷环数对 2ε_L/W值的影响：在恒化器实验中，2ε_L/W值通常随双植烷环数的增加而增加，平均每个额外的环使双植烷 2ε_L/W值增加 7.4‰ ± 2.2‰。但在批次和补料分批实验中，2ε_L/W值与双植烷环数之间没有一致的关系。
相关性分析：相关性矩阵表明，2ε_L/W值与实验操作的环境条件以及其他测量参数之间没有明显的线性相关性。

讨论

环境条件对古菌脂质 2ε_L/W值的影响：本研究中，多种环境条件的改变引起 S. acidocaldarius 生长速率和双植烷环化程度的显著变化，但 2ε_L/W值基本保持不变。这一结果与之前的研究一致，表明古菌脂质相对于源水始终贫 2H，且 2ε_L/W值范围较窄。虽然存在多种可能影响脂质 / 水氢同位素分馏的机制，但在本实验条件下，这些机制似乎并未发挥显著作用，推测 S. acidocaldarius 可能维持着稳定的内部代谢平衡。此外，不同古菌在不同能量限制条件下，2ε_L/W值都相对稳定，这可能反映了古菌适应长期能量限制的特性。
双植烷环数对古菌脂质 2ε_L/W值的影响：理论上，双植烷环数会影响其同位素组成，但在本研究中，只有恒化器实验呈现出 2ε_L/W值随环数增加而增加的趋势，批次和补料分批实验未显示出一致的规律。这可能与生长阶段脂质生物合成的变化有关，且这种富集模式受生长速率和代谢的影响较小。
古菌脂质 2ε_L/W与中心代谢的关系：S. acidocaldarius 的 2ε_L/W值与之前研究中 Sulfolobus 属的结果相似，但因分析结构和底物不同而存在差异。异养生长时，水对脂质氢通量的贡献至少为 56% ± 1%。自养古菌的 2ε_L/W值比 S. acidocaldarius 更负，这可能是由于代谢模式和代谢途径的差异导致的。总体而言，古菌脂质的 2ε_L/W值范围比细菌和真核生物更窄。
应用与结论：本研究对 S. acidocaldarius 中双植烷 δ²H 组成作为环境水 δ²H 的代理校准，对古水文气候和古生态重建具有重要意义。它可用于重建缺乏传统脂质生物标志物的环境的水文气候，也可应用于海洋或湖泊沉积档案研究。研究表明，S. acidocaldarius 的脂质 / 水氢同位素分馏不依赖于所测试的环境条件和生长速率，可能反映了其对能量限制环境的适应。未来研究应进一步探索生长阶段和代谢途径对脂质 / 水氢同位素分馏的影响，并扩大研究范围，结合同位素通量模型，深入了解古菌脂质氢同位素分馏的机制。